Zusammenfassung: Forscher haben herausgefunden, dass der Neurotransmitter Orexin und nicht das Stresshormon Noradrenalin die Pupillengröße reguliert, was bisherige Erkenntnisse in Frage stellt. Orexin-Neuronen beeinflussen die Pupillengröße als Reaktion auf emotionale Zustände und geistige Belastung, nicht nur auf Lichteinwirkung.
Die Ergebnisse bringen die Orexin-Aktivität mit mehreren neurologischen Erkrankungen in Verbindung, darunter Narkolepsie und Alzheimer, und bieten neue diagnostische Möglichkeiten. Diese Forschung könnte auch unser Verständnis von Bewusstsein und Aufmerksamkeitsregulation erhellen.
Wichtige Fakten:
- Orexin-Neuronen und nicht Noradrenalin sind in erster Linie für die Regulierung der Pupillengröße verantwortlich, was langjährige wissenschaftliche Überzeugungen in Frage stellt.
- Forscher fanden einen dosisabhängigen Zusammenhang zwischen der Aktivität von Orexin-Neuronen und dem Pupillendurchmesser und stellten damit eine direkte Methode zur Messung der Orexin-Aktivität bereit.
- Diese Ergebnisse stellen einen Zusammenhang zwischen Orexin und mehreren neurologischen Erkrankungen wie Alzheimer, Narkolepsie, Schlaganfall und Prader-Willi-Syndrom dar und können die Diagnosemethoden möglicherweise vereinfachen und verbessern.
Quelle: ETH Zürich
Die Art und Weise, wie das Gehirn die Pupillengröße reguliert, ist anders als bisher angenommen: Im Wesentlichen ist dafür der Neurotransmitter Orexin verantwortlich, wie Forscher der ETH Zürich nun gezeigt haben.
Diese Entdeckung könnte unser Verständnis von Bewusstsein und Krankheiten wie Narkolepsie und Alzheimer durchaus verändern.
„Der Effekt war so stark, dass wir sofort wussten, dass wir etwas Wichtiges auf der Spur waren“, erinnert sich Nikola Grujic, Postdoc im Neurobehavioural Dynamics Laboratory der ETH Zürich.
Durch eine Reihe erster Experimente an Mäusen untersuchte er sogenannte Orexin-Neuronen, einen der Hauptforschungsbereiche des Labors. Er beobachtete, dass die Stimulation von Nervenzellen dazu führte, dass sich die Pupillen der Mäuse merklich erweiterten.
„Oft gehen die Effekte der Neurostimulation im Rauschen der Messdaten unter, die wir dann mühsam filtern müssen, um sie zu finden.“ Diesmal war es anders. Der Effekt war deutlich zu sehen“, sagt er.
Die 1998 erstmals beschriebenen Orexin-Neuronen erstrecken sich vom Hypothalamus zu allen anderen Gehirnbereichen, einschließlich derjenigen, die das Bewusstsein und autonome Funktionen steuern. Diese Neuronen sind unter anderem an der Regulierung des Schlaf-Wach-Wechsels, der Aufmerksamkeitsspanne, des Belohnungssystems, des Appetits und des Energieverbrauchs beteiligt.
Unverzichtbar für den normalen Schülerzustand
Wie Grujics Messungen zeigten, beeinflussen Orexin-Neuronen direkt ein zentrales Merkmal der emotionalen Verfassung eines Menschen: Nicht nur Lichtreize führen zu einer Größenveränderung der Pupillen, sondern auch psychische Belastungen und emotionale Eindrücke.
Im Volksmund treffend als „Fenster zur Seele“ bezeichnet, werden die Pupillen routinemäßig sowohl bei medizinischen als auch bei psychologischen Untersuchungen verwendet: Die Pupillengröße kann ein Maß für Aufmerksamkeit und andere unbewusst gesteuerte Funktionen des Organismus sein.
Bisher galt neben dem Licht vor allem das als Stresshormon bekannte Noradrenalin und sein Rezeptorsystem für die Pupillengröße.
Doch nun zeigten die ETH-Forscher, dass diese Rolle vielmehr dem Neurotransmitter Orexin und seinem Rezeptorsystem zuzuschreiben ist.
Tatsächlich sind Noradrenalin-Neuronen ohne Orexin-Nervenzellen nicht in der Lage, den normalen Pupillenzustand aufrechtzuerhalten. Wird das Orexin-System abgeschaltet, bleiben die Pupillen viel zu eng.
„Noradrenalin-Neuronen sind im Grunde Sklaven der Orexin-Neuronen“, beschreibt ETH-Professor Denis Burdakov diese Abhängigkeit anschaulich.
Link zur Narkolepsie
In ihren Experimenten stellten die Forscher zudem einen dosisabhängigen Zusammenhang zwischen Nervenzellaktivität und Pupillendurchmesser fest. „Die Schüler zeigen uns genau, wie aktiv die Orexin-Neuronen im Hypothalamus sind“, sagt Burdakov.
Dies eröffnet Hirnforschern nicht nur eine neue Möglichkeit zur Messung der Orexin-Aktivität, sondern eröffnet auch neue Möglichkeiten für die medizinische Behandlung. Es gibt seit langem einen Zusammenhang zwischen einer Störung der Orexin-Regulation und der Schlafstörung Narkolepsie.
In jüngster Zeit wurden jedoch auch Zusammenhänge mit anderen neurologischen Erkrankungen wie Alzheimer, Schlaganfall und der genetischen Störung Prader-Willi-Syndrom beobachtet.
Bei dieser letzten Erkrankung führt eine Fehlfunktion im Zwischenhirn oder Zwischenhirn – wo sich der Hypothalamus befindet – zu schweren körperlichen, kognitiven und metabolischen Symptomen.
Alle vier dieser Erkrankungen weisen eine Schlafstörungskomponente auf. In Zukunft könnte die Untersuchung der Pupillengröße dazu beitragen, den Einfluss von Orexin auf diese Erkrankungen genauer zu erforschen – und möglicherweise sogar die Diagnose zu vereinfachen und zu verbessern, sagt Burdakov. Zur Diagnose einer Narkolepsie ist derzeit noch eine Lumbalpunktion erforderlich, bei der es sich um einen invasiven Eingriff handelt.
Bewusstseinsregulierung freischalten
Als Neurowissenschaftler sieht Grujic in seiner Entdeckung vor allem einen Schlüssel zum besseren Verständnis, wie Kernfunktionen unseres Bewusstseins reguliert werden.
„Das Gleichgewicht zwischen der Konzentration auf das Vertraute und dem Erlauben, dass unsere Gedanken wandern und die Welt um uns herum erkunden, ist ein wesentlicher Teil unserer Fähigkeit, uns an neue Situationen anzupassen“, sagt er.
Die Prävalenz und das Ausmaß der heute diagnostizierten Aufmerksamkeitsdefizitstörungen zeigen, wie schwierig es sein kann, dieses Gleichgewicht aufrechtzuerhalten, sagt Grujic.
Orexin ist eines von mehreren neuromodulatorischen Systemen (neben Noradrenalin und Serotonin), die dieses Gleichgewicht regulieren. Diese Systeme beeinflussen das Gleichgewicht je nach den Bedürfnissen des Organismus auf die eine oder andere Weise.
In den frühen Tagen der menschlichen Evolution mussten beispielsweise hungrige Jäger und Sammler auf der Suche nach einer Nahrungsquelle umherwandern. Wenn sie durch die Entdeckung von Essbarem belohnt wurden, mussten sie ihren Fokus auf ihre Umgebung richten, um mehr von dem Essen erspähen zu können.
Und als die frühen Menschen endlich gesättigt waren, konnten sie ihre Aufmerksamkeit auf die Befriedigung ihrer anderen Bedürfnisse richten.
Mehrere Neuronen-Teilmengen für bestimmte Funktionen
Bei der Untersuchung von Orexin-Neuronen gelang es Burdakovs Forschungsgruppe, Untergruppen zu identifizieren, die an einer Vielzahl neuronaler Funktionen und damit an unterschiedlichen Komponenten dieses Gleichgewichts beteiligt sind.
Mithilfe einer speziellen Fluoreszenzmikroskopie beobachteten die Wissenschaftler die Reaktion einzelner Orexin-Neuronen in Mäusen und verglichen diese mit Schwankungen der Pupillengröße. Sie nutzten die Zwei-Photonenmikroskopie, die es ermöglicht, die Aktivitäten einzelner Zellen im Gehirn zu beobachten.
Die Forscher entdeckten Neuronen, deren Aktivität positiv mit der Pupillengröße – und damit dem Erregungsgrad der Maus – korrelierte, und andere, deren Aktivität negativ korrelierte.
Sie stießen auch auf einige Zellen, die sowohl die Pupillengröße beeinflussten als auch auf Belohnungen reagierten, sowie auf andere, die nur mit einem der beiden Faktoren verbunden waren.
Kandidat für eine übergeordnete Regulierung
Die Identifizierung dieser spezialisierten Untergruppen innerhalb von Orexin-Neuronen bietet einen ersten Einblick in die Art und Weise, wie diese verdrahtet sind, um zentrale Funktionen unseres Bewusstseins zu unterstützen.
Darüber hinaus sagt Grujic, dass der Einfluss von Orexin auf eine Vielzahl verschiedener Verhaltenszustände – von Aufmerksamkeit, Schlaf-Wach-Wechsel und Belohnungssuche bis hin zu Appetit und Energieverbrauch – es zu einem erstklassigen Kandidaten für deren übergeordnete Regulierung macht.
Die Ergebnisse der ETH-Forschenden öffnen die Tür zu vielen weiteren wissenschaftlichen Forschungsmöglichkeiten zur Identifizierung zusätzlicher Neuronenuntergruppen und deren Interaktion – sowohl untereinander als auch mit dem Serotonin- und Noradrenalinsystem.
Die Forscher gehen davon aus, dass die Beantwortung solcher Fragen nicht nur zu einem weitaus detaillierteren Verständnis darüber führen wird, wie unsere lebenswichtigen Funktionen reguliert werden.
Sie sehen auch Vorteile bei der Diagnose und Behandlung von Aufmerksamkeits- und Schlafstörungen und damit verbundenen Erkrankungen. Und wie die Beispiele Alzheimer und Schlaganfall zeigen, könnten diese Vorteile größer sein, als es zunächst scheint.
Über diese Neuigkeiten aus der neurowissenschaftlichen Forschung
Autor: Daniel Meierhans
Quelle: ETH Zürich
Kontakt: Daniel Meierhans – ETH Zürich
Bild: Das Bild stammt von Neuroscience News
Ursprüngliche Forschung: Offener Zugang.
„Kontrolle und Kodierung der Pupillengröße durch hypothalamische Orexin-Neuronen“ von Grujic N et al. Naturneurowissenschaften
Abstrakt
Kontrolle und Kodierung der Pupillengröße durch hypothalamische Orexin-Neuronen
Orexin-Neuronen (Hypocretin) im Gehirn sind am Schlaf-Wach-Wechsel und an der Belohnungssuche beteiligt, ihre Rolle bei der schnellen Erregungsdynamik und der Belohnungswahrnehmung ist jedoch unklar.
Hier zeigten zellspezifische Stimulation, Deletion und In-vivo-Aufzeichnungen starke korrelative und kausale Zusammenhänge zwischen der Pupillenerweiterung – einem quantitativen Erregungsmarker – und der Orexin-Zellaktivität.
Die Kodierung von Erregung und Belohnung war auf die Orexin-Zellen verteilt, was darauf hindeutet, dass sie auf die schnelle, gemultiplexte Kommunikation momentaner Erregungs- und Belohnungszustände spezialisiert sind.